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Weltneuheit: Die Detonationsmaschine für schräge Wellen kann Mach 17-Flugzeuge freischalten

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UCF-Forscher sagen, dass sie zum ersten Mal eine anhaltende explosive Detonation eingefangen haben, die an Ort und Stelle fixiert ist und ihre enorme Kraft in einem neuen Schrägwellendetonationsmotor in Schub umwandelt, der ein Flugzeug bis zur 17-fachen Schallgeschwindigkeit antreiben und möglicherweise schlagen könnte der Scramjet als Hyperschallantriebsmethode.

Die Deflagration - das Verbrennen von Kraftstoff mit Sauerstoff bei hohen Temperaturen - ist eine relativ langsame, sichere und kontrollierte Methode, um chemische Energie freizusetzen und in Bewegung zu setzen. Deshalb untermauert diese schöne, friedliche Form der Verbrennung so viel von unserer Transporttechnologie. Aber wenn Sie die maximal mögliche Energie aus einer Kraftstoffeinheit freisetzen möchten, erhalten Sie einen weitaus besseren Knall für Ihr Geld von ... nun, einem Knall.

Die Detonation ist schnell, chaotisch und häufig zerstörerisch. Es erfordert nicht unbedingt Sauerstoff, nur ein einziges explosives Material und eine Art energetischen Stoß, der groß genug ist, um die chemischen Bindungen aufzubrechen, die ein bereits instabiles Molekül zusammenhalten. Es erzeugt exotherme Stoßwellen, die mit Überschallgeschwindigkeit nach außen beschleunigen und enorme Energiemengen freisetzen.

Seit mehr als 60 Jahren versuchen die Menschen, die rohe Kraft der Detonation - die stärkste Form der Verbrennung - zu nutzen, aber es hat sich als äußerst schwierig erwiesen, eine Bombe mit einem Zaumzeug zu versehen. Pulsdetonationsmotoren erzeugen eine Reihe von wiederholten Explosionen in ähnlicher Weise wie ein Pulsstrahl, und diese wurden bereits in Flugzeugen getestet - insbesondere in der Skalierte Verbundwerkstoffe Long-EZ „Borealis“ Projekt, das 2008 vom US Air Force Research Laboratory und Innovative Scientific Solutions Incorporated gebaut wurde.

Rotierende Detonationsmotoren, bei denen die Stoßwellen einer Detonation so abgestimmt sind, dass weitere Detonationen innerhalb eines ringförmigen Kanals ausgelöst werden, galten als unmöglich aufzubauen, bis Forscher der University of Central Florida (UCF) fortfuhren und demonstrierte im vergangenen Jahr einen Prototyp im Dauerbetrieb. Rotierende Detonationsmotoren sollten aufgrund von Tests bei einem Raketenstart um 2025 effizienter sein als Impulsdetonationsmotoren, nur weil die Brennkammer zwischen den Detonationen nicht geräumt werden muss.

Jetzt sagt ein anderes Team von UCF, darunter einige der gleichen Forscher, die den rotierenden Detonationsmotor im letzten Jahr gebaut haben, dass es eine weltweit erste Demonstration eines schwer fassbaren dritten Detonationstyps geschafft hat, der sie alle übertreffen und theoretisch einen öffnen könnte Weg zu Flugzeugen, die mit einer Geschwindigkeit von bis zu 13,000 km / h oder der 21,000-fachen Schallgeschwindigkeit fliegen.

Die stehende Welle oder OWDE (Oblode Wave Detonation Engine) zielt darauf ab, eine kontinuierliche Detonation zu erzeugen, die stabil und im Raum fixiert ist. Dies führt zu einem rücksichtslos effizienten und steuerbaren Antriebssystem, das deutlich mehr Leistung erzeugt und weniger Kraftstoff verbraucht, als die derzeitige Technologie zulässt.

Das UCF-Team behauptet, es habe eine Detonationswelle unter Hyperschallströmungsbedingungen erfolgreich stabilisiert und an Ort und Stelle gehalten, anstatt sie stromaufwärts (wo die Kraftstoffquelle explodieren könnte) oder stromabwärts (wo sie ihren explosiven Vorteil verlieren und heraussprudeln würde) bewegen zu lassen in eine Verpuffung).

Ein schematisches Diagramm des experimentellen HyperReact-Prototyps
Ein schematisches Diagramm des experimentellen HyperReact-Prototyps

University of Central Florida

Zu diesem Zweck baute das Team einen experimentellen Prototyp, den es High-Enthalpy Hypersonic Reacting Facility - kurz HyperReact - nannte. Der HyperReact ist weniger als einen Meter lang und kann lose als Hohlrohr beschrieben werden, das in drei Abschnitte mit jeweils präzise geformten Innenräumen unterteilt ist.

Der erste Abschnitt ist eine 350-mm-Mischkammer - ein Kanal mit quadratischem Querschnitt und 13.8-mm-Seiten. Hier zündet ein Vorbrenner einen mit Luft vorgemischten Wasserstoffbrennstoffstrahl. Vier weitere Luftkanäle um den Vorbrennerstrahl beschleunigen den Durchfluss auf die entsprechenden Geschwindigkeiten.

Der zweite Abschnitt ist eine konvergierend-divergierende (CD) Düse mit einem achsensymmetrischen quadratischen Querschnitt ganz nach unten. Der Hauptkraftstoffinjektor fügt der heißen, schnellen Hochdruckluft, die unmittelbar vor dem Eintritt in die CD-Düse aus dem Rohr austritt, 99.99 Prozent ultrahochreinen Wasserstoffkraftstoff hinzu, der sich schnell auf 9 mm (0.35 Zoll) verjüngt. - Hohe Kehle, bevor Sie wieder zu einem 45-mm-Quadrat zurückkehren. Diese Form soll die Mischung auf Mach 5.0 beschleunigen, bevor sie in den letzten „Testabschnitt“ geht, in dem die Detonation stattfindet.

Der Testabschnitt nimmt das Hyperschall-Luft / Kraftstoff-Gemisch auf und führt es über eine Rampe mit einem Winkel von 30 Grad auf der Unterseite des Vierkantrohrs. Durch die Abstimmung der Strömungsgeschwindigkeit und des Luft / Kraftstoff-Gemisches konnte das Team Parameter finden, die die Druckwellenwechselwirkungen in der Kammer manipulierten, um das Undenkbare zu erzeugen: eine stabile, kontinuierliche Explosion, die fast still blieb und in einem zyklischen Muster leicht schwankte Vorderlippe der Rampe.

Überlagerte Schattengraph-Chemilumineszenz-Bilder zeigen die Bedingungen in der Testkammer in einem nicht reagierenden Mach 5-Luftstrom und anschließend mit Kraftstoffzusatz, um die schräge Detonationswelle zu erzeugen
Überlagerte Schattengraph-Chemilumineszenz-Bilder zeigen die Bedingungen in der Testkammer in einem nicht reagierenden Mach 5-Luftstrom und anschließend mit Kraftstoffzusatz, um die schräge Detonationswelle zu erzeugen

University of Central Florida

Im Vergleich zu Bedingungen, die bei ausgeschaltetem Hauptkraftstoffinjektor gemessen wurden, war der Spitzendruck hinter der Rampe 2.7-mal höher und der Düsenaustrittsdruck 10.5-mal höher. Die Strömungsgeschwindigkeit wurde mit 99.7 Prozent der theoretischen Detonationswellengeschwindigkeit für eine sich frei ausbreitende normale Explosion in der gegebenen Mischung berechnet.

"Es ist das erste Mal, dass gezeigt wurde, dass eine Detonation experimentell stabilisiert wird", sagt Kareem Ahmed, Associate Professor an der UCF-Abteilung für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, und einer der Autoren des neuen Forschungspapiers. „Wir sind endlich in der Lage, die Detonation im Raum in schräger Detonationsform zu halten. Es ist fast so, als würde man eine intensive Explosion im physischen Raum einfrieren. “

Während eine Detonation normalerweise nur wenige Mikro- oder Millisekunden dauert, gelang es dem UCF-Team, diese experimentell aufrechtzuerhalten, bis der Kraftstoff nach etwa drei Sekunden abgestellt wurde. Das ist lang genug, um zu beweisen, dass das Gerät funktioniert. Ahmed erzählte LiveScienceund wenn das Team den Kraftstoff länger fließen ließ, hätte es die Quarzfenster an den Seiten des Testabschnitts zerstört, die dort waren, um eine optische Abbildung der Tests zu ermöglichen. Wenn der Testabschnitt durch etwas vollständig Metallseitiges ersetzt wird, kann die Detonation viel länger aufrechterhalten werden.

Laut Ahmed kommt das Prototypendesign ziemlich nahe daran, wie eine OWDE in Originalproduktion aussehen würde. Die Herausforderung besteht nun darin, zu lernen, wie das Kraftstoffgemisch, die Strömungsgeschwindigkeit und der Rampenwinkel dynamisch geändert werden, um eine Detonation über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen und Steuereingaben stabil, zuverlässig und steuerbar zu halten.

Oben: die Detonationsstruktur für drei Phasen während des Testlaufs. Unten: Der statische Druck in der Prüfkammer steigt an und bleibt für die Dauer des Kraftstoffstroms erhalten
Oben: die Detonationsstruktur für drei Phasen während des Testlaufs. Unten: Der statische Druck in der Prüfkammer steigt an und bleibt für die Dauer des Kraftstoffstroms erhalten

University of Central Florida

Das OWDE wird seit einiger Zeit theoretisch erwähntals potenziell überlegene Form des Hyperschallantriebs gegenüber dem Scramjet. Scramjets neigen dazu, mit steigender Fluggeschwindigkeit an Effizienz zu verlieren und möglicherweise um Mach 14 zu steigen. Die von UCF veröffentlichten experimentellen Ergebnisse deuten auf ein „Sodramjet“ -Flugzeug (stehender schräger Detonations-Ramjet) hin, das zwischen Mach 6 und Mach 17 fliegen kann.

Was soll das alles heißen? Hyperschall-Flugreisen mit Geschwindigkeiten bis zu Mach 17 öffnen nicht nur die Tür für potenzielle Flüge unter 30 Minuten zwischen New York und Los Angeles. Es wird auch Raumflugzeugen ermöglichen, sich effizient direkt in die Umlaufbahn zu fliegen, ohne sich an Raketen-Boostern festzuschnallen. Und es könnte natürlich einige bedeutende Auswirkungen auf die nationale Sicherheit und das globale nukleare Kräfteverhältnis geben.

Wie unser eigener David Szondy in diesem grandiosen hervorhob Hyperschall-Flug-Erklärer Ab 2017 gibt es weltweit kein Radar- oder Raketenabwehrsystem mehr, das mit einer Hyperschallrakete fertig werden könnte. Darüber hinaus würden Sie nicht einmal einen Sprengkopf benötigen, um ein Ausmaß an Verwüstung zu verursachen, das mit dem einer Atombombe konkurriert. "All diese Geschwindigkeit und Trägheit machen jede Forschungsplattform, Aufklärungseinheit oder jedes Passagierflugzeug zu einer potenziellen kinetischen Waffe", schreibt Szondy. „Sie brauchen keinen Sprengstoff, um ein Ziel zu zerstören. Alles was sie tun müssen, ist es zu treffen. Mit anderen Worten, jedes Hyperschallfahrzeug ist eine intrinsische Waffe, wenn die richtigen Modifikationen vorgenommen werden. “

Tatsächlich wurde die Forschung nicht nur von der National Science Foundation und dem NASA Florida Space Grant Consortium finanziert, sondern auch vom Air Force Office of Scientific Research. Diese in Flaschen abgefüllten Explosionsmotoren sind also eindeutig eine Angelegenheit von militärischem Interesse.

Das Papier ist offen zugänglich bei PNAS.

Quelle: University of Central Florida

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Quelle: https://newatlas.com/aircraft/oblique-wave-detonation-engine-hypersonic-ucf/

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